Iratkozzon fel közösségi médiánkra az azonnali bejegyzésekért
Lényegében a lézeres pumpálás egy közeg energetizálásának folyamata, hogy elérje azt az állapotot, amelyben lézerfényt bocsát ki. Ez általában úgy történik, hogy fényt vagy elektromos áramot fecskendeznek a közegbe, izgatják annak atomjait, és koherens fényt bocsátanak ki. Ez az alapfolyamat jelentősen fejlődött az első lézerek megjelenése óta, a 20. század közepén.
Bár gyakran sebességegyenletekkel modellezik, a lézeres pumpálás alapvetően kvantummechanikai folyamat. Ez bonyolult kölcsönhatásokat foglal magában a fotonok és az erősítő közeg atomi vagy molekuláris szerkezete között. A fejlett modellek figyelembe veszik az olyan jelenségeket, mint a Rabi-oszcillációk, amelyek árnyaltabb megértést adnak ezekről a kölcsönhatásokról.
A lézeres pumpálás olyan folyamat, amelyben energiát, jellemzően fény vagy elektromos áram formájában juttatnak a lézer erősítőközegébe, hogy atomjait vagy molekuláit magasabb energiájú állapotokba emeljék. Ez az energiaátvitel kulcsfontosságú a populáció inverziójának eléréséhez, amely állapot több részecske gerjesztett, mint alacsonyabb energiájú állapotban, lehetővé téve a közeg számára, hogy stimulált emisszión keresztül felerősítse a fényt. A folyamat bonyolult kvantumkölcsönhatásokat foglal magában, amelyeket gyakran sebességegyenletekkel vagy fejlettebb kvantummechanikai keretrendszerekkel modelleznek. A kulcsfontosságú szempontok közé tartozik a szivattyúforrás kiválasztása (például lézerdiódák vagy kisülési lámpák), a szivattyú geometriája (oldalsó vagy végszivattyúzás), valamint a szivattyú fényjellemzőinek (spektrum, intenzitás, sugárminőség, polarizáció) optimalizálása, hogy megfeleljenek a szivattyú speciális követelményeinek. nyereség közepes. A lézeres pumpálás alapvető fontosságú a különböző lézertípusoknál, beleértve a szilárdtest-, félvezető- és gázlézereket, és elengedhetetlen a lézer hatékony és eredményes működéséhez.
Optikai pumpás lézerek fajtái
1. Szilárdtest lézerek adalékolt szigetelőkkel
· Áttekintés:Ezek a lézerek elektromosan szigetelő hordozóközeget használnak, és optikai pumpálásra támaszkodnak a lézeraktív ionok energiával való feltöltésére. Gyakori példa a neodímium a YAG lézerekben.
·Friss kutatás:A. Antipov et al. egy szilárdtest közeli infravörös lézert tárgyal a spin-csere optikai pumpáláshoz. Ez a kutatás rávilágít a szilárdtestlézeres technológia fejlődésére, különösen a közeli infravörös spektrumban, amely döntő fontosságú az olyan alkalmazásokban, mint az orvosi képalkotás és a távközlés.
További olvasnivalók:Szilárdtest-közeli infravörös lézer spin-cserélő optikai szivattyúzáshoz
2. Félvezető lézerek
·Általános információ: A tipikusan elektromosan szivattyúzott, félvezető lézerek is profitálhatnak az optikai pumpálásból, különösen a nagy fényerőt igénylő alkalmazásokban, mint például a függőleges külső üreges felületet kibocsátó lézerek (VECSEL).
·Legutóbbi fejlemények: U. Keller ultragyors szilárdtest- és félvezetőlézerekből származó optikai frekvenciafésűkkel kapcsolatos munkája betekintést nyújt a diódaszivattyús szilárdtest- és félvezetőlézerek stabil frekvenciájú fésűinek előállításába. Ez az előrelépés jelentős az optikai frekvencia-metrológia területén.
További olvasnivalók:Optikai frekvenciás fésűk ultragyors szilárdtest- és félvezetőlézerekből
3. Gázlézerek
·Optikai szivattyúzás gázlézerekben: Bizonyos típusú gázlézerek, például az alkáligőzlézerek, optikai szivattyúzást alkalmaznak. Ezeket a lézereket gyakran használják olyan alkalmazásokban, ahol meghatározott tulajdonságokkal rendelkező koherens fényforrásokra van szükség.
Az optikai szivattyúzás forrásai
Kisülő lámpák: A lámpás pumpás lézerekben elterjedt kisülési lámpákat nagy teljesítményük és széles spektrumuk miatt használják. YA Mandryko et al. kifejlesztett egy teljesítménymodellt impulzusív kisülés generálására szilárdtestlézerek aktív közegű optikai pumpáló xenonlámpáiban. Ez a modell segít optimalizálni az impulzusszivattyús lámpák teljesítményét, ami elengedhetetlen a hatékony lézerműködéshez.
Lézer diódák:A diódapumpás lézerekben használt lézerdiódák olyan előnyöket kínálnak, mint a nagy hatékonyság, a kompakt méret és a finomhangolás lehetősége.
További olvasnivaló:mi az a lézer dióda?
Villanólámpák: A vakulámpák intenzív, széles spektrumú fényforrások, amelyeket általában szilárdtestlézerek, például rubinlézerek vagy Nd:YAG lézerek pumpálására használnak. Nagy intenzitású fénykitörést biztosítanak, amely gerjeszti a lézerközeget.
Ívlámpák: Hasonlóan a vakulámpákhoz, de folyamatos működésre tervezték, az ívlámpák folyamatos intenzív fényforrást kínálnak. Olyan alkalmazásokban használatosak, ahol folyamatos hullámú (CW) lézerműködésre van szükség.
LED-ek (fénykibocsátó diódák): Bár nem olyan elterjedt, mint a lézerdiódák, a LED-ek optikai szivattyúzásra használhatók bizonyos alacsony fogyasztású alkalmazásokban. Előnyösek hosszú élettartamuk, alacsony költségük és különféle hullámhosszakon való elérhetőségük miatt.
Napfény: Néhány kísérleti elrendezésben a koncentrált napfényt pumpás forrásként használták napenergiával szivattyúzott lézerekhez. Ez a módszer a napenergiát hasznosítja, így megújuló és költséghatékony forrás, bár kevésbé szabályozható és kevésbé intenzív a mesterséges fényforrásokhoz képest.
Szálas csatolású lézerdiódák: Ezek optikai szálakhoz csatlakoztatott lézerdiódák, amelyek hatékonyabban juttatják el a szivattyú fényét a lézerközeghez. Ez a módszer különösen hasznos szálas lézereknél és olyan helyzetekben, ahol a szivattyú fényének pontos leadása kulcsfontosságú.
Egyéb lézerek: Néha egy lézert használnak egy másik pumpálására. Például egy frekvencia-duplázott Nd: YAG lézer használható festéklézer pumpálására. Ezt a módszert gyakran alkalmazzák, ha meghatározott hullámhosszra van szükség a szivattyúzási folyamathoz, ami hagyományos fényforrásokkal nem könnyen elérhető.
Dióda pumpás szilárdtest lézer
Kezdeti energiaforrás: A folyamat egy dióda lézerrel kezdődik, amely a szivattyú forrásaként szolgál. A dióda lézereket hatékonyságuk, kompakt méretük és meghatározott hullámhosszú fénykibocsátási képességük miatt választják ki.
Szivattyú fénye:A dióda lézer fényt bocsát ki, amelyet a szilárdtest-erősítő közeg elnyel. A dióda lézer hullámhosszát az erősítő közeg abszorpciós jellemzőihez igazítják.
SzilárdtestGain Medium
Anyag:A DPSS lézerekben az erősítő közeg jellemzően szilárdtest anyag, például Nd:YAG (neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium-gránát), Nd:YVO4 (neodímiummal adalékolt ittrium-ortovanadát) vagy Yb:YAG (ittrium-alumínium-gránát).
Dopping:Ezeket az anyagokat ritkaföldfém-ionokkal (például Nd vagy Yb) adalékolják, amelyek az aktív lézerionok.
Energiaelnyelés és gerjesztés:Amikor a dióda lézer szivattyú fénye belép az erősítő közegbe, a ritkaföldfém-ionok elnyelik ezt az energiát, és magasabb energiájú állapotokba gerjesztik.
Népesség inverziója
Népességinverzió elérése:A lézeres akció kulcsa a populáció inverziója az erősítő közegben. Ez azt jelenti, hogy több ion van gerjesztett állapotban, mint alapállapotban.
Stimulált kibocsátás:A populáció inverziójának elérése után a gerjesztett és alapállapot közötti energiakülönbségnek megfelelő foton bevezetése arra ösztönözheti a gerjesztett ionokat, hogy visszatérjenek az alapállapotba, és közben fotont bocsátanak ki.
Optikai rezonátor
Tükrök: Az erősítő közeget egy optikai rezonátor belsejében helyezik el, amelyet általában a közeg mindkét végén két tükör alkot.
Visszajelzés és erősítés: Az egyik tükör erősen, a másik részben fényvisszaverő. A fotonok ide-oda ugrálnak e tükrök között, több kibocsátást serkentve és felerősítve a fényt.
Lézer kibocsátás
Koherens fény: A kibocsátott fotonok koherensek, ami azt jelenti, hogy fázisban vannak és azonos hullámhosszúak.
Kimenet: A részben visszaverő tükör átengedi a fény egy részét, és kialakítja a DPSS lézerből kilépő lézersugarat.
Szivattyúzási geometriák: oldalsó szivattyúzás
| Szivattyúzási módszer | Leírás | Alkalmazások | Előnyök | Kihívások |
|---|---|---|---|---|
| Oldalsó szivattyúzás | A lézerközegre merőlegesen bevezetett szivattyú fénye | Rúd vagy szálas lézerek | A szivattyú fényének egyenletes eloszlása, alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz | Nem egyenletes erősítéseloszlás, alacsonyabb sugárminőség |
| A szivattyúzás vége | A lézersugárral azonos tengely mentén irányított szivattyú fénye | Szilárdtestlézerek, mint például az Nd:YAG | Egyenletes erősítési eloszlás, jobb sugárminőség | Komplex beállítás, kevésbé hatékony hőelvezetés a nagy teljesítményű lézerekben |
A hatékony szivattyúvilágítás követelményei
| Követelmény | Fontosság | Hatás/egyensúly | További megjegyzések |
|---|---|---|---|
| Spektrum alkalmasság | A hullámhossznak meg kell egyeznie a lézer közeg abszorpciós spektrumával | Biztosítja a hatékony abszorpciót és a populáció hatékony inverzióját | - |
| Intenzitás | Elég magasnak kell lennie a kívánt gerjesztési szinthez | A túl nagy intenzitás hőkárosodást okozhat; túl alacsony nem éri el a populáció inverzióját | - |
| Gerenda minősége | Különösen kritikus a végpumpás lézereknél | Biztosítja a hatékony csatolást, és hozzájárul a kibocsátott lézersugár minőségéhez | A magas sugárzás minősége kulcsfontosságú a szivattyú fényének és a lézer üzemmód hangerejének pontos átfedéséhez |
| Polarizáció | Anizotróp tulajdonságú közegekhez szükséges | Növeli az abszorpciós hatékonyságot és befolyásolhatja a kibocsátott lézerfény polarizációját | Különleges polarizációs állapotra lehet szükség |
| Intenzitás Zaj | Az alacsony zajszint kulcsfontosságú | A szivattyú fényintenzitásának ingadozása befolyásolhatja a lézerkimenet minőségét és stabilitását | Fontos a nagy stabilitást és pontosságot igénylő alkalmazásokhoz |
Feladás időpontja: 2023. december 01